CN109148123A - 针对变压器噪声空间分布特性的声学超材料屏障*** - Google Patents
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Abstract
一种针对变压器噪声空间分布特性的可调声学超材料屏障***，由声学超材料屏障(3)和噪声测量分析***(2)组成。声学超材料屏障(3)由超材料支撑支架(7)和分形结构声学超材料模块(8)组成。超材料支撑支架(7)与变压器声源面(1)平行。分形结构声学超材料模块(8)嵌入超材料支撑支架(4)内。噪声测量分析***(2)测量声学超材料屏障(3)范围内的噪声，分析得到噪声空间分布特性。根据噪声空间分布特性，选取不同参数的分形结构声学超材料模块(8)。当声波传输至声学超材料屏障(3)时，由于声学超材料模块(8)参数是根据对应位置噪声分布特性选取的，可使目标降噪区域的噪声幅值大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种声学超材料屏障。
背景技术
变压器本体噪声主要来源于铁心、绕组的振动，噪声集中在100Hz的倍频，以低频噪声为主。变压器风扇噪声则为500-2000Hz之间的宽频噪声。随着城市的建设，大量的110kV、220kV变电站越来越接近中心城区。噪声传播环境复杂，声波的干涉、衍射等作用导致变压器噪声问题日益突出，不可避免的对站内工作人员和附近居民产生影响。因此，如何在传播途径控制变压器噪声，已经成为环保部门和电力部门亟待解决的重要问题。
目前针对变压器噪声的降噪方法主要有：有源降噪及材料降噪。有源降噪即主动降噪，如中国专利CN106251855A《一种用于变压器降噪的非集中式虚拟声屏障》公开的有源声屏障安装在房间的开口面附近，由控制声源、误差传声器、参考传感器、多个单通道有源控制器和***电路组成，可控制房间内声源通过开口向外辐射的噪声。有源声屏障的优点是控制灵活，缺点是当阵列数量增多时，控制难度很大。
变压器本体噪声以低频噪声为主，传统隔声材料制作的声屏障对低频噪声的降噪效果很差。声学超材料具有负折射、强反射、负质量密度、负体积模量等超常物理特性，相比传统材料具有隔声量大、厚度小等优点，可以实现较小尺寸的材料控制低频噪声，有效弥补传统材料屏障难以阻隔低频噪声的不足，在变压器降噪领域有良好的发展前景。中国专利CN106192785A《一种用于变电站的全频段降噪声屏障及屏蔽装置》公布的声屏障包括超材料低频降噪层和高频降噪层，置于变压器附近，在变压器噪声传播路径上降低全频段噪声。专利公布的声学超材料屏障未考虑噪声空间分布的差异性，声屏障一旦建立，不能根据空间声场的分布的变化进行灵活调整，导致降噪效果不佳。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种针对变压器噪声空间分布特性的声学超材料屏障***。
本发明声学超材料屏障***包括声学超材料屏障和噪声测量分析***，置于室内变压器通风口外侧或室外变压器四周。
所述声学超材料屏障由超材料支撑支架和分形结构声学超材料模块组成，分形结构声学超材料模块嵌入超材料支撑支架内。
建立声学超材料屏障时，噪声测量分析***测量声学超材料屏障位置的噪声特性，根据噪声空间分布，选择声学超材料屏障的每个分形结构声学超材料模块的分形阶数和声波波导宽度参数。当声源发生变化时，空间声场发生变化，再次通过噪声测量分析***测量噪声，根据变化后的声场分布，调整声学超材料屏障的每个分形结构声学超材料模块的分形阶数和声波波导宽度参数，用调整参数后的声学超材料屏障的分形结构声学超材料模块替换之前的分形结构声学超材料模块。
所述超材料支撑支架为长方体。除去顶面和底面，变压器有四个方向的外轮廓面。定义任何一个方向的外轮廓面为变压器声源面。变压器声源面与所述超材料支撑支架平行，二者之间有一定距离。所述超材料支撑支架与变压器声源面正对的一面开有mxn个矩形通孔，m、n为正整数。矩形通孔尺寸相同，等距排布，形成阵列。
所述分形结构声学超材料模块嵌于超材料支撑支架矩形通孔中，且每个矩形通孔中的分形结构声学超材料模块均可拆卸。所述分形结构声学超材料模块与变压器声源面平行，距离变压器声源面近的面为声波入口面，距离变压器声源面远的面为声波出口面。与声波入口面和声波出口面垂直的面为分形结构声学超材料模块的横截面。
所述分形结构声学超材料模块为由分形结构声学超材料单元组成的阵列。所述声学超材料单元的横截面为具有一定宽度Hilbert曲线型通道的矩形面。一定宽度的Hilbert曲线型通道称为声波波导。
所述分形结构声学超材料单元的隔声频率与分形阶数和声波波导的宽度密切相关。
建立分形结构声学超材料单元模型，给定声学超材料单元的分形阶数和波导宽度的参数范围，进行给定分形阶数下的波导宽度参数扫描，通过声场计算，得到给定阶数和波导宽度的声学超材料单元在不同频率的隔声量。
依据结构场和声场耦合方程(1)及声压波动方程(2)计算测量点的声压。
其中，ρ0为质量密度，v为振动速度，p为声压，c为声速，为哈密顿算子。
其中，ρ0为质量密度，p为声压，c为声速，为哈密顿算子，t为声波传播时间。
根据声压可以得到声压级：
其中，p为声压，pref为参考声压，国际取为2×10-5Pa，SPL为声压级，根据声压级得到隔声量：
TL＝SPL2-SPL1 (4)
其中，SPL2为为加入超材料单元时测量点位置的声压级，SPL1为加入超材料单元后测量点位置的声压级，TL为隔声量。
隔声量高的频率范围为给定参数的声学超材料单元的最优隔声频率范围。根据最优隔声频率范围选择与该隔声频率范围对应的给定分形结构声学超材料单元的分形阶数和声波波导宽度。
空气在分形结构声学超材料单元中沿声波波导流通。
所述噪声测量分析***由传感器支撑支架、声压传感器和声压信号处理模块组成。声压传感器置于传感器支撑支架上，声压信号处理模块与声压传感器连接。
所述传感器支撑支架与超材料支撑支架平行，布置在超材料支撑支架的近处，且与超材料支撑支架同位于变压器的同一侧。所述传感器支撑支架为长方体结构，高度和超材料屏障支撑支架的高度相等，宽度小于超材料屏障支撑支架的宽度。所述传感器支撑支架包括多个横梁和竖梁，横梁和竖梁交叉形成多个矩形通孔，每个矩形通孔的尺寸相同，且矩形通孔的长度小于或等于超材料支撑支架矩形通孔长度的1/2，宽度小于或等于超材料支撑支架矩形通孔宽度的1/2。所述传感器支撑支架能够沿着与声学超材料屏障平行的方向移动。
所述声压传感器置于传感器支撑支架横梁和竖梁的交点位置，形成声压传感器阵列。
所述声压信号处理模块包括前置放大器、滤波器、A/D转换器和DSP处理器。所述前置放大器的输入端与声压传感器连接，放大声压传感器采集的噪声信号；所述滤波器的输入端与所述前置放大器的输出端连接，滤除声压传感器采集的噪声信号中的高频分量，将采集到的声压模拟信号由滤波器的输出端送至A/D转换器；信号经A/D转换器采样后送至DSP处理器的输入端；DSP处理器将噪声信号进行插值计算和频谱分析，得到传感器支撑支架范围内的噪声分布特性和频谱特性。
本发明工作过程为：传感器支撑支架与超材料支撑支架间隔距离很小且平行放置，传感器支撑支架与超材料支撑支架的外侧竖梁对齐。噪声测量分析***测量并记录噪声，测量完成后，保持传感器支撑支架与超材料支撑支架距离不变，移动噪声测量分析***测量下一个区域的噪声分布，直到测量范围覆盖整个声学超材料屏障为止。分析获得声学超材料屏障范围内的噪声空间分布特性。噪声测量分析***对时间域的噪声进行频谱分析，得到噪声的频率域特性，从而得到超材料支撑支架每个矩形通孔位置的隔声频率范围。根据最优隔声频率范围和超材料支撑支架矩形通孔位置的隔声频率范围相同的原则，选取分形结构声学超材料模块嵌入超材料支撑支架矩形通孔内。所述分形结构声学超材料模块的声学超材料单元，其分形阶数和声波波导宽度为与最优隔声频率范围相同的隔声频率范围对应的分形结构声学超材料单元的分形阶数和声波波导宽度。当声源发生变化时，噪声空间分布发生变化，再次通过噪声测量分析***测量噪声，根据变化后的声场分布，拆卸对应声场发生变化位置处的分形结构声学超材料模块，将其替换为针对声场变化后声场特性设计的分形结构声学超材料模块，针对声场变化后声场特性设计的分形结构声学超材料模块的分形结构声学超材料单元的分形阶数和声波波导宽度为声场变化后的隔声频率范围对应的分形结构声学超材料单元的分形阶数和声波波导宽度。
当声波传输至声学超材料屏障时，由于分形结构声学超材料模块参数是根据对应位置噪声分布特性选取的，可使目标降噪区域的声波幅值大大降低。
本发明针对变压器噪声空间分布特性建立可调声学超材料屏障，能够有效地在传播路径上阻隔变压器噪声，降低环境噪声污染。相比于传统的声屏障，在屏障建立时，本发明可调声学超材料屏障***根据实测声场分布选择分型结构声学超材料模块参数，可提高降噪效果；同时，当噪声空间分布变化时，可根据实测噪声分布调整声学超材料模块，提高声屏障的灵活性。
附图说明
图1本发明可调声学超材料屏障***示意图；
图2本发明可调声学超材料屏障***侧视图；
图3本发明噪声测量分析***正视图；
图4本发明声学超材料屏障正视图；
图5本发明声压信号处理模块结构图；
图6本发明声学超材料单元横截面图。
图中：1变压器声源面，2噪声测量分析***，3声学超材料屏障，4传感器支撑支架，5声压传感器，6声压信号处理模块，7超材料支撑支架，8分形结构声学超材料模块，9前置放大器，10滤波器，11A/D转换器，12DSP处理器，13一阶分形结构声学超材料单元横截面，12二阶分形结构声学超材料单元横截面，13三阶分形结构声学超材料单元横截面，14四阶分形结构声学超材料单元横截面。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1和图2所示，本发明针对变压器噪声空间分布特性的可调声学超材料屏障***，置于室内变压器通风口外侧或室外变压器四周，包括声学超材料屏障3和噪声测量分析***2。
如图4所示，所述声学超材料屏障3由超材料支撑支架7和分形结构声学超材料模块8组成，所述分形结构声学超材料模块8嵌于超材料支撑支架7内。
所述超材料支撑支架7为长方体。除去顶面和底面，变压器有四个方向的外轮廓面。定义任何一个方向的外轮廓面为变压器声源面。变压器声源面1与所述超材料支撑支架7平行，二者之间有一定距离。所述超材料支撑支架7与变压器声源面1正对的一面开有mxn个矩形通孔，m、n为正整数。矩形通孔尺寸相同，等距排布，形成阵列。
所述分形结构声学超材料模块8嵌于超材料支撑支架7的矩形通孔中，且每个矩形通孔中的分形结构声学超材料模块8均可拆卸，被替换。所述分形结构声学超材料模块8与变压器声源面1平行且距离变压器声源面近的面为声波入口面，距离变压器声源面1远的面为声波出口面。与声波入口面和声波出口面垂直的面为分形结构声学超材料模块8的横截面。
所述分形结构声学超材料模块8为由分形结构声学超材料单元组成的阵列。所述分形结构声学超材料单元的横截面为具有一定宽度Hilbert曲线型通道的矩形面，如图6所示。所述分形结构声学超材料单元截面形式可以为一阶11、二阶12、三阶13或四阶14。所述分形结构声学超材料单元的阶数和声波波导的宽度与隔声频率密切相关。
建立分形结构声学超材料单元模型，给定声学超材料单元的分形阶数和波导宽度的参数范围，进行给定分形阶数下的波导宽度参数扫描，通过声场计算，得到给定阶数和波导宽度的声学超材料单元在不同频率的隔声量。
依据结构场和声场耦合方程(1)及声压波动方程(2)计算测量点的声压。
其中，ρ0为质量密度，v为振动速度，p为声压，c为声速，为哈密顿算子。
其中，ρ0为质量密度，p为声压，c为声速，为哈密顿算子，t为声波传播时间。
根据声压可以得到声压级：
其中，p为声压，pref为参考声压，国际取为2×10-5Pa，SPL为声压级，根据声压级得到隔声量：
TL＝SPL2-SPL1 (4)
其中，SPL2为为加入超材料单元时测量点位置的声压级，SPL1为加入超材料单元后测量点位置的声压级，TL为隔声量。
隔声量高的频率范围为给定参数的声学超材料单元的最优隔声频率范围。根据最优隔声频率范围选择与其相同的隔声频率范围对应的给定分形结构声学超材料单元的分形阶数和声波波导宽度。
所述噪声测量分析***2由传感器支撑支架4、声压传感器5和声压信号处理模块6组成。声压传感器5置于传感器支撑支架4上，声压信号处理模块6与声压传感器5连接。所述传感器支撑支架4和声压传感器5的正视图如图3所示。
所述传感器支撑支架4与超材料支撑支架7平行，布置在超材料支撑支架7的近处，且与超材料支撑支架7同位于变压器的同一侧。所述传感器支撑支架4为长方体，其高度和超材料支撑支架7的高度相等，宽度小于超材料支撑支架7的宽度。所述传感器支撑支架4包括多个横梁和竖梁，横梁和竖梁交叉形成多个矩形通孔，每个矩形通孔的尺寸相同，且矩形通孔的长度小于或等于超材料支撑支架矩形通孔长度的1/2，矩形通孔的宽度小于或等于超材料支撑支架矩形通孔宽度的1/2。所述传感器支撑支架4可以沿着与超材料支撑支架7平行的方向移动。
所述声压传感器5置于传感器支撑支架4横梁和竖梁的交点位置，形成声压传感器阵列。
所述声压信号处理模块6包括前置放大器9、滤波器10、A/D转换器11和DSP处理器12。所述前置放大器9的输入端与声压传感器5连接，放大声压传感器5采集的噪声信号；所述滤波器10的输入端与所述前置放大器9的输出端连接，滤除声压传感器5采集的噪声信号中的高频分量，将采集到的声压模拟信号由滤波器10的输出端送至A/D转换器11；信号经A/D采样后送至DSP处理器12的输入端，DSP处理器12将噪声信号进行频谱分析和插值计算，得到声学超材料屏障3范围内的噪声分布和频谱特性。
本发明工作过程为：传感器支撑支架4与超材料支撑支架7间隔距离很小且平行放置，两个支架的外侧竖梁对齐。噪声测量分析***2测量并记录噪声，测量完成后，保持传感器支撑支架4与超材料支撑支架7距离不变，移动噪声测量分析***测量下一个区域的噪声分布，直到测量范围覆盖整个声学超材料屏障3为止。分析获得声学超材料屏障范围内的噪声空间分布特性。噪声测量分析***对时间域的噪声进行频谱分析，得到噪声的频率域特性，从而得到超材料支撑支架7每个矩形通孔位置噪声的隔声频率范围。根据最优隔声频率范围和超材料支撑支架矩形通孔位置的隔声频率范围相同的原则，选取分形结构声学超材料模块8嵌入超材料支撑支架7的矩形通孔内，所述分形结构声学超材料模块的声学超材料单元，其分形阶数和声波波导宽度为与最优隔声频率范围相同的所需隔声频率范围对应的分形结构声学超材料单元的分形阶数和声波波导宽度。当声源发生变化时，空间声场发生变化，再次通过噪声测量分析***2测量噪声，根据变化后的声场分布，拆卸对应声场发生变化位置处的分形结构声学超材料模块8，将其替换为针对变化后声场特性设计的分形结构声学超材料模块8，针对声场变化后声场特性设计的分形结构声学超材料模块的分形结构声学超材料单元的分形阶数和声波波导宽度为声场变化后的所需隔声频率范围对应的分形结构声学超材料单元的分形阶数和声波波导宽度。当声波传输至声学超材料屏障3时，由于分形结构声学超材料模块8的参数是根据对应位置噪声分布特性选取的，可使目标降噪区域的声波幅值大大降低。
Claims (10)
1.一种针对变压器噪声空间分布特性的声学超材料屏障***，其特征在于：所述声学超材料屏障***置于室内变压器通风口外侧或室外变压器四周，包括声学超材料屏障(3)和噪声测量分析***(2)；
所述的声学超材料屏障(3)由超材料支撑支架(7)和分形结构超材料模块(8)组成，所述分形结构声学超材料模块(8)嵌于超材料支撑支架(7)内；
建立声学超材料屏障(3)时，噪声测量分析***(2)测量声学超材料屏障(3)位置的噪声特性，根据噪声空间分布，选择声学超材料屏障(3)的分形结构声学超材料模块(8)的分形阶数和声波波导宽度参数；当声源发生变化时，空间声场发生变化，噪声测量分析***(2)再次测量噪声，根据变化后的声场分布，调整声学超材料屏障的分形结构声学超材料模块(8)的分形阶数和声波波导宽度参数，用调整参数后的声学超材料屏障的分形结构声学超材料模块(8)替换之前的分形结构声学超材料模块(8)。
2.根据权利要求1所述的声学超材料屏障***，其特征在于：所述的超材料支撑支架(7)为长方体结构，与变压器声源面(1)平行布置，二者之间有距离；所述超材料支撑支架(7)与变压器声源面(1)正对的一面开有mxn个矩形通孔，m、n为正整数；矩形通孔尺寸相同，等距排布，形成阵列。
3.根据权利要求1或2所述的声学超材料屏障***，其特征在于：所述的分形结构声学超材料模块(8)采用环氧树脂材料制成，嵌于超材料支撑支架(7)矩形通孔中，且每个矩形通孔中的声学超材料模块(8)均可拆卸。
4.根据权利要求1所述的声学超材料屏障***，其特征在于：所述的分形结构声学超材料模块(8)为具有声波波导和底板的长方体结构，底板位于长方体结构的底部，声波波导固定于底板上；空气在分形结构声学超材料模块(8)中沿声波波导流通。
5.根据权利要求1所述的声学超材料屏障***，其特征在于：所述的分形结构声学超材料模块(8)由分形结构声学超材料单元阵列组成；所述声学超材料单元的横截面为具有一定宽度Hilbert曲线型通道的矩形面；所述分形结构声学超材料单元的阶数和声波波导的宽度与隔声频率相关；
建立分形结构声学超材料单元模型，给定声学超材料单元的阶数和波导宽度的参数范围，进行给定阶数下的声学超材料模块的波导宽度参数扫描，通过声场计算，得到给定阶数和波导宽度的声学超材料单元在不同频率的隔声量；隔声量高的频率范围为给定参数声学超材料单元的最优隔声频率范围；根据最优隔声频率范围选择与该隔声频率范围对应的声学超材料单元的分形结构声学超材料单元的分形阶数和声波波导宽度。
6.根据权利要求1所述的声学超材料屏障***，其特征在于：噪声测量分析***(2)由传感器支撑支架(4)、声压传感器(5)和声压信号处理模块(6)组成；声压传感器(5)置于传感器支撑支架(4)上，声压信号处理模块(6)与声压传感器(5)连接。
7.根据权利要求6所述的声学超材料屏障***，其特征在于：所述传感器支撑支架(4)与超材料支撑支架(7)平行，布置在超材料支撑支架(7)的近处，且与超材料支撑支架(7)同位于变压器的同一侧；所述传感器支撑支架(4)为长方体结构，高度和超材料屏障支撑支架(7)的高度相同等，宽度小于超材料屏障支撑支架(7)的宽度；所述传感器支撑支架(4)包括多个横梁和竖梁，横梁和竖梁交叉形成多个矩形通孔，每个矩形通孔的尺寸相同，且矩形通孔的长度小于或等于超材料支撑支架矩形通孔长度的1/2，矩形通孔的宽度小于或等于超材料支撑支架矩形通孔宽度的1/2；所述传感器支撑支架能够沿着与声学超材料屏障平行的方向移动。
8.根据权利要求6所述的声学超材料屏障***，其特征在于：所述的声压传感器(5)置于传感器支撑支架(4)横梁和竖梁的交点位置，形成声压传感器阵列。
9.根据权利要求6所述的声学超材料屏障***，其特征在于：所述声压信号处理模块(6)包括前置放大器、滤波器、A/D转换器和DSP处理器；所述前置放大器的输入端与声压传感器(5)连接，放大声压传感器采集的噪声信号；所述滤波器的输入端与所述前置放大器的输出端连接，滤除声压传感器采集的噪声信号中的高频分量，将采集到的声压模拟信号由滤波器的输出端送至A/D转换模块；信号经A/D转换器采样后送至DSP处理器的输入端，DSP处理器将噪声信号进行频谱分析和插值计算，得到传感器支撑支架范围内的噪声分布特性和频谱特性。
10.根据权利要求1所述的声学超材料屏障***，其特征在于：所述的声压传感器支撑支架(4)与超材料支撑支架(7)的外侧竖梁对齐；噪声测量分析***(2)测量噪声分布，测量完成后，保持声压传感器支撑支架(4)与超材料支撑支架(7)距离不变，移动噪声测量分析***(2)测量下一个区域的噪声分布，直到测量范围覆盖整个超材料屏障(3)为止；噪声测量分析***对时间域的噪声进行频谱分析，得到噪声的频率域特性，从而得到超材料支撑支架(7)每个矩形通孔位置噪声的隔声频率范围，根据最优隔声频率范围和超材料支撑支架矩形通孔位置的隔声频率范围相同的原则，选取分形结构声学超材料模块(8)嵌入超材料支撑支架(7)的矩形通孔内；所述分形结构声学超材料模块(8)的声学超材料单元，其分形阶数和声波波导宽度为与最优隔声频率范围相同的所需隔声频率范围对应的分形结构声学超材料单元的分形阶数和声波波导宽度；当声源发生变化时，噪声空间分布发生变化，再次通过噪声测量分析***测量噪声，根据变化后的声场分布，拆卸对应声场发生变化位置处的分形结构声学超材料模块(8)，将其替换为针对声场变化后声场特性设计的分形结构声学超材料模块(8)；针对变化后声场特性设计的分形结构声学超材料模块(8)中的分形结构声学超材料单元的分形阶数和声波波导宽度为声场变化后的所需隔声频率范围对应的分形结构声学超材料单元的分形阶数和声波波导宽度。
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